基于梯形有机硅聚合物的新型光学薄膜制备和应用研究

With 2D ordered fused-ring structure localized by double Si-O-Si chains, ladder organo-bridged polysiloxanes possessed higher stability under thermal, chemical, irradiation, and, mechanical influence. In this proposal, the hydrosilylation reaction between polymethylhydrosiloxane and diene will be utilized to synthesize ladder organo-bridged polysiloxanes under Pt catalysis, through which the traditional sol-gel method with dependent hydrolysis process can be avoided. The synthesis is easy to be controlled and will bring a breakthrough in ladder polymer synthesis. With this ladder organo-briged polysiloxane, transparent and dense optical films are to be deposited on different optical substrates including glass, quartz, and frequency-multiplication crystal. The special ladder molecular structure with simultaneous rigidity and flexibility in film can spread the laser energy irradiated onto film along the film surface to weaken the laser-induced damage to optical materials. As a common optical material, this ladder ogano-bridged polysiloxane can be applied in several different transmission elements of high power laser system, e.g., multi-layer broadband antireflective film, protective film of frequency-multilication crystal, or future protective/antireflective integrative film. The aim of this proposal is to realize a common optical coating material to satisfy the common demands in mechanic and optical performance of different optical elements and then to decrease the complexity of optical film fabrication in whole high power laser system.

梯形有机硅聚合物具有二维有序稠环结构“双股”链，对于热、化学、辐射、力学等类型的降解都具有很高的稳定性。本项目利用聚甲基氢硅氧烷（PMHS）的Si-O-Si聚合链为骨架，通过端双烯的两个C=C键与PMHS的Si-H键发生加成反应得到梯形有机硅聚合物，采用铂催化，避免溶胶凝胶法所依赖的水解缩聚反应，可以突破梯形聚合物的合成难点。然后通过简单的化学镀膜技术，在石英、光学玻璃、倍频晶体等硬质脆性基底材料上，制备结构刚柔兼顾的透明致密薄膜，使薄膜兼具防潮、防污、折射率调控等综合能力，其独特的梯形结构可以将入射激光能量沿薄膜表面迅速传播开，从而弱化激光对材料的表面损伤。将之作为一种通用薄膜材料用于高功率激光器的不同元件上，以获得多层减反射膜、倍频晶体保护膜或者未来的“保护/减反”一体膜，满足高功率激光系统对光学薄膜在力学和光学性能上的共性要求，降低系统中光学元件制备的整体复杂性。

在高功率激光装置中，作为倍频转换器的重要组成部分，KDP 晶体特别容易受到环境中水蒸汽的影响发生潮解而影响其光学稳定性。当前采取的首选措施是在晶体表面镀制一层防潮保护薄膜。本课题研究的出发点就是采用端二烯替换异氰酸酯桥连链解决异氰酸酯桥连聚倍半硅氧烷在紫外光下易降解的问题，成功地制备出致密、光透射性高，紫外耐受性好的光学防潮保护薄膜。为进一步提高防潮保护薄膜在特定波长处的透射率，设计和制备了保护/减反射双层膜。此外，利用这种致密聚合物具有高折射率的优势，将其与低折射率的 SiO2 胶体颗粒进行混合，制备出折射率可调的复合薄膜，并将其成功地用于制备双层三波长减反射或宽谱带减反射薄膜。具体的工作进内容如下：.1、 以聚甲基氢硅氧烷（PMHS）作为 Si-H 源，1, 5-己二烯和 1, 7-辛二烯作为C=C 源，采用均相 Speier 催化剂催化硅氢加成反应。甲苯为反应溶剂，采用Pt/C催化剂60℃温度和72h反应得到类梯状亚烷基桥连聚硅氧烷：亚己基桥联聚硅氧烷（ABPMS6）和亚辛基桥联聚硅氧烷（ABPMS8）.2、在KDP晶体上沉积ABPMS6和ABPMS8薄膜并进行防潮试验，ABPMS6薄膜防潮效果优于ABPMS8薄膜，且薄膜在强紫外光下稳定性好、柔韧性好和抗激光损伤性能好.3、以 ABPMS6 防潮保护薄膜作为下层薄膜，HMDS 修饰的SiO 2 疏水减反射薄膜作为上层薄膜，制备保护/基频减反射双层膜（A）和保护/三倍频减反射双层膜（B）。A在 1053 nm 波长处的透射率为97.41 %，在 351 nm 波长处的透射率为 100 %，B在 351 nm 波长处的透射率为 100 %，A、B均比单层保护薄膜的透射率提高了 7 %且A、B具有很好的环境稳定性和较高的抗激光损伤性能.4、以 ABPMS6 作为高折射率材料与低折射率的 SiO 2 胶体进行混合，调节 ABPMS6 的加入量制备出折射率在 1.17 - 1.47 范围内可调的复合薄膜。将折射率为 1.32 的复合薄膜应用双层三波长减反射薄膜，得到的双层膜的透射率在 351 nm 处的透射率为 99.05 %，527 nm 处的透射率为 98.65 %和在 1053 nm 处的透射率为 99.33 %。将折射率为 1.36 的复合薄膜应用于制备宽谱带减反射薄膜，得到了一系列不同谱带宽谱带宽度。